Peptidsynthese mit Ultraschall und TAGGING
Die Peptidsynthese ist ein Eckpfeiler der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung, doch herkömmliche Verfahren – Festphasen-Peptidsynthese (SPPS) und klassische Kopplung in der Lösungsphase – sind nach wie vor arbeitsintensiv, verbrauchen viel Reagenz und lassen sich nur schwer skalieren. Eine effizientere Alternative ergibt sich aus der Kombination zweier orthogonaler Strategien: der TAGGING-Technik (Temporary Anchoring Group) für den Peptidaufbau in der Lösungsphase und der ultraschallgestützten (sonochemischen) Verarbeitung zur Beschleunigung der Kopplungs-, Entschützungs- und Aufarbeitungsschritte. Zusammen ermöglichen sie die Produktion therapeutischer Peptide im Gramm- bis Bulk-Maßstab – wie beispielsweise das als Antibiotikum und Krebsmedikament wirkende Lipopeptid Lipobactin – mit hoher Reinheit, geringerem Reinigungsaufwand und deutlich weniger manuellen Arbeitsschritten.
Welche Vorteile bietet die Ultraschall-Peptidsynthese?
- Wirtschaftlichkeit in der Lösungsphase: Die Reaktionen werden in Lösung durchgeführt, wobei der Aminosäureverbrauch deutlich geringer ist als bei der Festphasen-Peptidsynthese.
- Auf Filtration basierende Reinigung: Das an TAG gebundene Peptid fällt in polaren Lösungsmitteln aus, sodass die Zwischenprodukte durch einfache Filtration isoliert werden – Es ist keine Säulenchromatographie und keine schrittweise Charakterisierung erforderlich.
- Enorme Arbeitsersparnis: Durch den Verzicht auf Zwischenaufreinigungen und Spektralprüfungen lassen sich im Rahmen einer gesamten Synthesekampagne erhebliche Arbeitsstunden einsparen.
- Sonochemische Beschleunigung: Die Ultraschallbehandlung verkürzt jeden entscheidenden Schritt – Fmoc-Entschutzung, Seitenkettenkupplung, Cyclisierung und globale Entschutzung – ohne die Selektivität zu beeinträchtigen.
- Hohe Ausbeute, hohe Reinheit: Sowohl die Kopplung der einzelnen Fragmente als auch der abschließende Zusammenbau von Lipobactin erfolgen mit hoher Ausbeute; durch die globale Entschützung wird das Zielmolekül mit einer Ausbeute von ca. 83 % erhalten.
- Bereitschaft im großen Maßstab: Die TAGGING-Technik wird ausdrücklich als Verfahren beschrieben, das die Herstellung von Peptiden in großen Mengen mit höchster Reinheit ermöglicht, was sie zu einem praktikablen Weg zur Gewinnung von therapeutisch wichtigen Lipopeptiden in Gramm- und Kilogramm-Mengen macht.
- Vollständige Methodenkompatibilität: Das Verfahren ist vollständig kompatibel mit herkömmlicher SPPS- und Lösungsphasenchemie, sodass bestehende Schutzgruppenstrategien (Fmoc, Alloc, Pbf, tBu) und Kupplungsmittel (T3P, HATU, COMU, DIC/DMAP) unverändert übernommen werden können.
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Industrie-Sonicator UIP2000hdT mit einem Reaktor für pharmazeutische Chargen zur optimierten Peptidsynthese
Was ist die TAGGING-Technik?
Beim TAG-Verfahren wird ein Peptidfragment kovalent an eine ablösbare, harzartige Ankergruppe (TAG) gebunden, die in der Lösung verbleibt. Dadurch lässt sich die wachsende Kette wie ein Festphasenpeptid handhaben, allerdings in der flüssigen Phase:
- Nach jeder Kopplung oder Entschutzung wird das an TAG gebundene Peptid durch einfache Filtration oder Ausfällung in polaren Medien bzw. Antisolventen als Feststoff gewonnen, während lösliche Verunreinigungen und Nebenprodukte ausgewaschen werden.
- Da das Peptid am Linker gebunden bleibt, entfallen die Säulenchromatographie und die vollständige Charakterisierung jedes Zwischenprodukts weitgehend, was zu einer erheblichen Zeit- und Arbeitsersparnis führt.
- Die Reaktionen können in der Lösungsphase durchgeführt werden, wobei weitaus weniger Aminosäuren als bei der SPPS-Methode benötigt werden, und das Endprodukt wird gegen Ende der Synthese durch Spaltung der TAG-Gruppe freigesetzt.
Bei der Retrosynthese von Lipobactin wurden drei Fragmente verwendet – Fmoc-Ala-Arg-TAG, Alloc-Thr(Ile-Fmoc)-OH und das Lipidfragment C₁₁H₂₃CONH-Ile-Ser(OᵗBu)-OH – in Verbindung mit einer Fragmentkondensationsstrategie, um das lange Peptid in sehr hohen Ausbeuten zu erhalten. (vgl. Ramya et al., 2025)
Die TAG-gestützte Totalsynthese des Peptids Lipobactin wird durch Ultraschallbehandlung beschleunigt.
(Studie: Ramya et al., 2025)
Wie die Ultraschallbehandlung die Synthese von Peptiden in der Lösungsphase verbessert
Die Ultraschallbehandlung wird eingesetzt, um die wichtigsten Schritte in der Lösungsphase zu intensivieren und zu verkürzen. Bei der Lipobactin-Synthese, wie sie von Ramya et al. (2025) beschrieben wird, wird die Ultraschallbehandlung zu folgenden Zwecken eingesetzt:
Da bei der TAG-Chemie die Zwischenprodukte bereits als filtrierbare Feststoffe anfallen, ergänzen sich Ultraschallbehandlung und TAGGING: Der Ultraschall beschleunigt den Stoffaustausch, die Durchmischung und die Reaktionskinetik, während der Anker das Peptid als rückgewinnbaren Feststoff bindet und so einen sauberen, chromatographisch minimierten Arbeitsablauf ermöglicht.
Sonicator UP200St: Ultraschallbehandelter Reaktor zur beschleunigten Peptidsynthese.
Einfache Hochskalierung hochreiner Peptide durch Ultraschall
Eine häufige Herausforderung bei der Übertragung von Peptid- und Peptid-Arzneimittel-Prozessen vom Labor in die Produktion besteht darin, den sonochemischen Effekt bei größeren Volumina und im kontinuierlichen Durchfluss aufrechtzuerhalten. Hielscher begegnet dieser Herausforderung mit einer durchgängigen Palette an Ultraschallprozessoren vom Labor- bis zum industriellen Maßstab, die validierte, reproduzierbare Leistung und eine dokumentierte Prozesssteuerung bieten.
Industrie-Ultraschalhomogenisator UIP4000hdT (4000 W, 20 kHz) für die ultraschallunterstützte Peptidsynthese
Häufig gestellte Fragen zur ultraschallunterstützten TAG-Peptidsynthese
Was ist die Flüssigphasen-Peptidsynthese (LPPS)?
Die Flüssigphasen-Peptidsynthese (LPPS) ist ein Verfahren, bei dem Peptide Schritt für Schritt in Lösung unter Verwendung klassischer Methoden der organischen Chemie aufgebaut werden. Sie ist eine der vier Hauptmethoden zur Herstellung von Peptiden und gilt als kostengünstig, skalierbar und als das umweltfreundlichste Verfahren unter den Ansätzen zur Peptidsynthese. Sie eignet sich besonders gut für kürzere Peptide, kann jedoch bei längeren Sequenzen Schwierigkeiten bereiten, da es herausfordernd sein kann, gleichbleibende Reaktionsbedingungen und Löslichkeit aufrechtzuerhalten sowie unerwünschte Nebenprodukte zu entfernen.
Inwiefern verbessert Ultraschall die Peptidsynthese in flüssiger Phase?
Ultraschall (Sonikation) verbessert das LPPS-Verfahren, indem er sowohl den Kopplungs- als auch den Entschützungsschritt beschleunigt. Die Ultraschallwellen verbessern den Stoffaustausch und die Reaktionskinetik, was zu folgenden Ergebnissen führt:
- Kürzere Reaktionszeiten: Die Kupplungs- und Entsicherungszyklen lassen sich erheblich verkürzen
- Höhere Erträge: eine umfassendere Umwandlung bei jedem Schritt
- Verbesserte Reinheit des Rohprodukts: weniger unvollständige Kopplungsnebenprodukte
- Geringerer Reagenzienverbrauch: Aufgrund der schnelleren und effizienteren Reaktionen werden weniger Äquivalente an Kupplungsreagenzien und Aminosäuren benötigt.
Was ist die TAG-gestützte Peptidsynthese (TAPS)?
Die tag-gestützte Peptidsynthese (TAPS) ist ein Sonderfall der Flüssigphasen-Peptidsynthese, bei der Peptide Schritt für Schritt in Lösung unter Verwendung löslicher organischer Tags anstelle eines festen Trägers aufgebaut werden. Diese Tags, die den festen Trägern in der SPPS entsprechen, vereinfachen die Isolierung nach jedem Syntheseschritt, indem sie eine Trennung durch Ausfällung, Filtration oder Extraktion ermöglichen. Die Tags müssen sich in organischen Lösungsmitteln auflösen und sich gleichzeitig von anderen Stoffen unterscheiden.
Inwiefern verbessert Ultraschall den TAGGING-Prozess?
Wenn die Ultraschallbehandlung mit der TAG-unterstützten Synthese kombiniert wird, ergeben sich folgende Vorteile:
- Schnellere Kopplungs- und Entschutzzyklen – Ultraschall beschleunigt die Reaktionen in der Lösung und verkürzt so die Dauer der einzelnen Schritte
- Verbesserte Löslichkeit und Stoffübertragung – Die Ultraschallkavitation trägt dazu bei, die Homogenität des markierten Peptids in der Lösung aufrechtzuerhalten, was von entscheidender Bedeutung ist, da die Löslichkeit ein wesentlicher Vorteil von TAPS gegenüber SPPS ist
- Reduzierte Reagenzienmenge – Eine höhere Reaktionsausbeute bedeutet, dass weniger Äquivalente an Aminosäuren und Kupplungsreagenzien benötigt werden
- Umfassendere Reaktionen – weniger Nebenprodukte durch unvollständige Kopplung, was zu einer höheren Reinheit des Rohprodukts und einer vereinfachten nachgelagerten Reinigung führt
Ein bemerkenswertes Beispiel ist die TAG-unterstützte und durch Ultraschall begleitete Totalsynthese von Lipobactin, die gezeigt hat, dass die TAGGING-Technik vollständig mit Methoden in der Lösungsphase kompatibel ist und dass Ultraschall in jedem Schritt zu hohen Ausbeuten beiträgt. (vgl. Ramya et al., 2025)
Welche Peptidlängen lassen sich mit ultraschallunterstütztem TAPS erzielen?
Kurze bis mittelgroße Peptide (~5–20 Aminosäurereste) sind der ideale Bereich, in dem TAPS hohe Reinheit und zuverlässige Ergebnisse liefert.
Längere Peptide lassen sich mithilfe einer Fragmentkondensationsstrategie herstellen: Kleinere Fragmente (6–10-Mere) werden auf einem Tag synthetisiert und anschließend miteinander gekoppelt, um das Zielmolekül in voller Länge zu bilden.
Bei sehr langen oder komplexen Zielen kann ein hybrider SPPS/TAPS-Ansatz zum Einsatz kommen.
Erfahren Sie, wie die Ultraschallbehandlung die Festphasen-Peptidsynthese (SPPS) verbessert hat!
Lässt sich die ultraschallunterstützte Peptidsynthese in der flüssigen Phase auf die industrielle Produktion skalieren?
Ja, industrielle Ultraschallgeräte – wie beispielsweise die Hielscher-Modelle UIP2000hdT oder UIP4000hdT – Sie lassen sich in Batch-Reaktoren und Durchflusszellen integrieren und ermöglichen so die Peptidproduktion im großen Maßstab. Durch die Nachrüstung bestehender Reaktoren lassen sich etablierte Verfahren zur Peptidsynthese verbessern.
Was sind die Hauptvorteile des Ultraschall-LPPS gegenüber dem herkömmlichen LPPS?
- Geschwindigkeit: Die Reaktionszeiten werden bei jedem Kupplungs- und Entschützungsschritt drastisch verkürzt.
- Effizienz: Höhere Ausbeuten pro Schritt führen zu einer höheren Gesamtausbeute bei Peptiden mit mehreren Resten.
- Nachhaltigkeit: weniger Reagenzäquivalente und möglicherweise weniger Lösungsmittel aufgrund schnellerer Reaktionen.
- Barrierefreiheit: erfordert lediglich ein handelsübliches Ultraschallbad, keine Spezialgeräte.
- Kompatibilität: funktioniert mit gängigen Kupplungsreagenzien (DIC, HATU, TBTU, Oxyma usw.) und Schutzgruppenstrategien (Boc, Fmoc).
Literatur / Literaturhinweise
- M. Ramya, Veeranjaneyulu Avula, S. Nandeesh, B. Kirankumar, G. Nagendra (2025): TAG assisted and ultrasonication mediated total synthesis of lipobactin. Results in Chemistry, Volume 18, 2025, 102842.
- Andrew M. Bray; Liana M. Lagniton; Robert M. Valerio; N.Joe Maeji (1994): Sonication-assisted cleavage of hydrophobic peptides. Application in multipin peptide synthesis. Tetrahedron Letters 35(48), 1994. 9079–9082.
- Raheem, Shvan J; Schmidt, Benjamin W; Solomon, Viswas Raja; Salih, Akam K; Price, Eric W (2020): Ultrasonic-Assisted Solid-Phase Peptide Synthesis of DOTA-TATE and DOTA-linker-TATE Derivatives as a Simple and Low-Cost Method for the Facile Synthesis of Chelator-Peptide Conjugates. ACS Bioconjugate Chemistry, 2020.
- M.V. Anuradha, B. Ravindranath (1995): Ultrasound in peptide synthesis. 4: Rapid cleavage of polymer-bound protected peptides by alkali and alkanolamines. Tetrahedron Volume 51, Issue 19, 1995. 5675-5680.
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